整體柔性聚能裝藥結(jié)構(gòu)在煤系地層隧道切頂預(yù)裂爆破中的應(yīng)用

曹繼翔 CAO Ji-xiang；周向東 ZHOU Xiang-dong；馮向濤 FENG Xiang-tao；張凌寒 ZHANG Ling-han；王林林 WANG Lin-lin；曹晗 CAO Han

（中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，咸陽 712099）

0 引言

在煤系地層隧道施工過程中，需穿越大量的煤礦巷道，由于巷道一般埋深較深，為防止受上覆地層重力或者鄰近回采工作面動(dòng)壓影響而造成圍巖變形甚至損壞，在巷道挖掘后往往需要留設(shè)一定寬度的保護(hù)煤柱，以避免其受到周邊擾動(dòng)影響。但煤柱的留設(shè)首先會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)。雖然沿空留巷技術(shù)現(xiàn)已被許多煤礦成功采用，但它并不完全適用于所有賦存條件的煤層，特別是當(dāng)煤層較厚或埋深較深時(shí)單純沿空留巷效果較差，保留巷道在上覆巖層回轉(zhuǎn)壓力作用下變形巨大，因此切頂卸壓成為必須。目前最成熟與最經(jīng)濟(jì)的方法為預(yù)裂爆破切頂[1-3]。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是在沿空留巷基礎(chǔ)上通過對(duì)采空區(qū)側(cè)頂板實(shí)施預(yù)裂爆破，使留巷上覆巖層斷裂形態(tài)發(fā)生改變[4]。

煤系地層隧道為了沿空巷道留設(shè)采用切頂卸壓的方式切斷巷道直接頂、基本頂傳力路徑，常需要通過深孔預(yù)裂切縫爆破的方式實(shí)現(xiàn)[5-7]。由于一般巷道高度在3m左右，井下空間有限，切頂深度根據(jù)上覆巖層賦存特征及開采高度確定，炮孔深度一般在15～40m范圍內(nèi)，裝藥長(zhǎng)度一般為6～30m[8]。為了避免因?yàn)楣艿佬?yīng)而造成無法傳爆，需在炮孔內(nèi)全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索，這樣導(dǎo)致一次性全段裝藥困難。在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，巷道高度大多在3m左右，對(duì)于深孔爆破而言一次性全段裝藥難度大，導(dǎo)爆索的布置也有一定的困難，難以保證炸藥成功起爆[9]?，F(xiàn)有的裝藥技術(shù)大多為分段裝藥難以保證完全起爆，深孔裝藥過程易發(fā)生炸藥變形堵塞導(dǎo)致炸藥不能裝到孔底，或裝藥時(shí)出現(xiàn)炸藥間隔無法完全起爆，導(dǎo)致安全隱患。

1 工程背景

1.1 煤礦工作面基本情況

某煤礦N2301工作面由膠帶順槽、輔助運(yùn)輸順槽、高抽巷和切眼組成。膠帶順槽長(zhǎng)1184m，輔助運(yùn)輸順槽長(zhǎng)1165m，切眼平距302m，回采平距720m。N2301工作面開采3號(hào)煤層，位于山西組的中下部，煤層總厚3.35～9.37m，平均厚度6.35m，煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，厚0～7.45m，平均4.03m，厚度穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)松軟，屬吸水軟化，強(qiáng)度較低；老頂為中～細(xì)粒砂巖，厚0～20.10m，平均5.86m，為半堅(jiān)硬巖石；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖、局部為粉砂巖，為軟巖，厚0～2.45m，平均0.70m；老底為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，厚0.45～7.50m，平均3.36m，為半堅(jiān)硬～堅(jiān)硬巖石。該煤層全井田可采，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層。頂?shù)装鍘r性見表1所示。

表1 圍巖及其特征表

1.2 圍巖運(yùn)移特征預(yù)測(cè)

N2301工作面為該區(qū)的首采工作面，其巖層運(yùn)移特征參考3號(hào)煤層其它采區(qū)的觀測(cè)成果。前期的采煤實(shí)踐頂板的初次來壓距離為50～60m，周期來壓為20～30m，從楺膜混凝土的來壓特征及底板與側(cè)幫的收縮情況確定再距離工作面150m起楺膜混凝土的壓力開始增加，底鼓及幫縮增加，距離工作面200m時(shí)圍巖壓力趨于穩(wěn)定。切頂位置在膠帶順槽工作面一側(cè)，超前工作面100m進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂，切頂位置見圖1所示。

圖1 沿空留巷剖面示意圖

1.3 爆破切頂參數(shù)

1.3.1 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔角度

根據(jù)采高M(jìn)的不同，頂板定向預(yù)裂鉆孔角度（β）按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定（還應(yīng)考慮到頂板巖石力學(xué)參數(shù)、工作面頂板垮落情況、煤層傾角、巷道沿底挑頂?shù)纫蛩鼐C合確定）：頂板巖層斷裂后的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性關(guān)系如圖2所示。

圖2 頂板巖層斷裂后的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性關(guān)系

第（a）情況平衡條件為：

（Tcosθ-Rsinθ）·tanφ≥Tsinθ+Rcosθ；≤tan（φ-θ）

第（b）情況平衡條件：

（Tcosθ+Rsinθ）tanφ≥Rcosθ-Tsinθ；≤tan（φ+θ）

從以上公式可知，切頂角度越大越容易垮塌，但角度增大會(huì)增加打孔長(zhǎng)度，因此結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，并考慮N2302工作面膠順槽留巷段切縫孔布置與頂板水平方向夾角取20°。

1.3.2 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔深度

切頂預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量以及底鼓量及頂板巖層分布狀況等有關(guān)，可通過預(yù)裂切縫深度（H縫）臨界設(shè)計(jì)公式、初步分析的頂板巖層分布狀況及關(guān)鍵層位等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，將切頂深度（斜長(zhǎng)）暫定為20m。

考慮工作面頂板垮落矸石應(yīng)充分填充采空區(qū)，放頂最小高度H可根據(jù)如下公式初步計(jì)算：

式中：M—煤層采高，取煤層平均厚度6.2m；KP—頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.31。

經(jīng)計(jì)算得：H=20m，即預(yù)裂切縫深度大于20m為宜，故切頂深度（斜長(zhǎng)）暫定為20m滿足上述兩種條件。

1.3.3 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔間距

根據(jù)條形（柱狀）藥包爆破波作用區(qū)域的理論，不耦合裝藥條件下壓碎圈半徑和裂隙區(qū)半徑依次為：

②裂隙區(qū)半徑為：

式中：σc—巖體的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；ε—加載應(yīng)變率，s-1。σr，σθ—煤巖體中的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，MPa；—比距離，=r/rb，r—計(jì)算點(diǎn)到裝藥中心的距離m，rb—炮孔半徑，m；a—載荷傳播衰減指數(shù)，，正、負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)沖擊波區(qū)和應(yīng)力波區(qū)；μd—煤巖體動(dòng)態(tài)泊松比。

把頂板物理力學(xué)參數(shù)（初步抗壓強(qiáng)度取平均70MPa；抗拉強(qiáng)度為7.8MPa；靜態(tài)泊松比取0.23）和二級(jí)煤礦乳化炸藥參數(shù)（炸藥的密度1200kg/m3，炸藥爆速2900m/s），孔徑50mm，聚能管裝藥直徑Φ42mm，裝藥直徑約Φ35mm等參數(shù)代入上式，計(jì)算得：破碎區(qū)半徑為0.05m，裂隙區(qū)半徑為0.26m。從鉆孔柱狀可知3號(hào)煤頂板為砂巖，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，為保證最終的切縫效果，炮孔間距采用800mm、1000mm兩種方案試驗(yàn)。最終通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔預(yù)裂爆破的窺視效果，確定最佳的鉆孔間距。本方案參數(shù)暫按1000mm間距來鉆孔預(yù)裂爆破。

從其它工作面的爆破切頂實(shí)踐看，炮孔直徑50mm，炮孔間距1m，每m裝藥量為1kg時(shí)，切頂效果較好。同時(shí)采用8m堵塞能夠完全保證堵塞質(zhì)量，無沖孔，因此影響卸壓效果的唯一因素為切頂高度。從N2301工作面的巖性特征看偽頂與直接頂厚度約為8m，老頂最大厚度為20m。直接頂與偽頂處于堵塞段但其強(qiáng)度較弱不需要切頂也可以在重力作用下冒落，老頂切開10m后剩余厚度能夠在重力作用下冒落?？紤]到開采厚度6.4m，當(dāng)散系數(shù)為1.23時(shí)冒落28m能夠?qū)崿F(xiàn)頂板觸矸，從而減少圍巖壓力。因此暫定切頂炮孔深度20m，垂直深度17.8m。同時(shí)由于在距離工作面200m以外頂板壓力才能逐漸穩(wěn)定，因此在該工作面暫定試驗(yàn)長(zhǎng)度為300m。如果該切頂深度無法達(dá)到卸壓效果可以在剩余420m進(jìn)一步增加切頂深度。根據(jù)2301工作面膠帶順槽的設(shè)備條件，炮孔開口位置距離煤幫1.2m處，上向角度為70度，炮孔開口位置及傾角見圖3所示。

圖3 炮口開口位置及傾角

1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥工藝

對(duì)于頂板切頂預(yù)裂爆破主要的問題是裝藥，傳統(tǒng)的裝藥方法是分節(jié)裝藥，每一節(jié)長(zhǎng)1.5～2.5m，但由于需要全長(zhǎng)敷設(shè)導(dǎo)爆索，因此無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)爆索與炸藥的密切貼合，而且由于孔較深無法保證每一節(jié)裝藥相互連接，因此給所有炸藥的準(zhǔn)確起爆帶來風(fēng)險(xiǎn)。本文提出了采用由兩個(gè)半圓硬質(zhì)柔性PVC管組成的聚能裝藥結(jié)構(gòu)（如圖4所示，裝藥結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示）。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)裝藥過程中的深孔柔性聚能裝藥結(jié)構(gòu)

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)的剖面圖

2 爆破后效果

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破完成后，通過補(bǔ)打窺視孔對(duì)超前預(yù)裂切縫效果進(jìn)行窺視，窺視孔必須保證在兩個(gè)爆破炮孔的連線中點(diǎn)，窺視孔打設(shè)完成后，采用CXK12礦用鉆孔成像儀進(jìn)行成縫效果窺視。聚能預(yù)裂爆破孔內(nèi)窺視結(jié)果如圖6所示。

圖6 聚能預(yù)裂爆破效果窺視圖

通過窺視孔可以看出，兩爆破孔之間貫通性較好，切縫明顯，孔壁保留完整，滿足預(yù)裂縫要求。通過窺視結(jié)果可以看出，整體柔性聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破能夠有效形成斷裂面，也解決了一次全段裝藥的需求，有效提高裝藥效率，保證裝藥質(zhì)量。